什么是4D打印?--4D打印技术详解

   2016-12-21 印梦园佚名2320
核心提示:4D打印是指用可编程物质(通常为智能复合材料)作为打印材料,通过3D 打印的方式打印(制造)出三维物体。该物体能随着时间推移,在预定的激励或刺激(如遇水、冷却或者通电、光照、加热、加压)下,自我变换形状、物理属性(如结构、形态、

      4D打印是指用可编程物质(通常为智能复合材料)作为打印材料,通过3D 打印的方式打印(制造)出三维物体。该物体能随着时间推移,在预定的激励或刺激(如遇水、冷却或者通电、光照、加热、加压)下,自我变换形状、物理属性(如结构、形态、体积、密度、色彩、亮度、弹性、硬度、导电性、电磁特性和光学特性等)或功能等。

     与传统的制造方式相比,4D打印除了拥有3D打印的一些主要优势外,还具备很多其他重要特性。首先,它能直接把设计以编程的方式内置到打印材料当中,使物体在打印后,从一种形态变成另一种形态,为物体提供了更好的设计自由度,实现了物体的自我变化和制造。其次,它能将多种可能的修正要素预设在打印材料的方案中,让物体在打印成型后,根据人们的想法驱动物体实现自我变形或对其完善和修正。第三,它能在进一步简化物体生产制造过程的同时,使打印出的物体先具备极为的简单形状、结构和功能,然后通过外部激励或刺激,让它再变化为所需要的复杂的形状、结构和功能。第四,它能使部件与物体本身结构的难易程度在制作时变得不再那么重要,并可在其中嵌入驱动、逻辑和感知等能力,让物体变形组装时无需设置额外的设备,大大减少了人力、物力和时间等成本。第五,它能激发工程师和设计人员的想象力,并设计出多种多功能的动态物体,之后再进行物质编程进行打印制造,促进了“物质程序化”这一造物方式成为现实。最后,它能通过更有效的编程设计,将打印物体的数字文件由互联网发送到世界任何地点,克服了物体生产制造的空间限制,更好地实现了多样化物体的全球化数字制造。

一、4D打印的发展现状

      正因为具有上述特性,4D打印自被提出以来,迅速得到了全球广泛的关注,展示了它在工业、建筑、航天、医疗、艺术、娱乐、服装、军事等诸多领域巨大的应用潜力,并在世界很多国家都取得了十分重要的进展。

 作为开山鼻祖,美国这几年始终致力于4D打印的研究和应用。其很多高校、科研院所和公司企业,都在对4D打印进行广泛和深入的开发,

有了很多令人瞩目的重要成果。麻省理工学院的自动组装实验室,继2013年3月成功地把3D打印的绳子放置在水中,使其自我弯折成“MIT”

    (麻省理工学院的英文缩写)后,2014年1月又实现了让“MIT”自动变成“SAL”(其自动组装实验室的英文缩写),并使打印出的一块平板,按事先设计好的组装方案形变为了一个立方体;2014年11月,它还实现了让更多材质,比如木头、碳纤维、橡胶/塑料等一些材料拥有“自行组装”的特性;2015年1月,该实验室曾利用模型设计软件设定的时间和组合样式,让连接在一起的2279块以3D打印方式打印出来的三角形模块,在水中慢慢自动合并变形成了一件镂空的4D连衣裙,这种裙子会根据穿戴者的型体自我调整、变化甚至造型,一定程度解决了“量体裁衣”的问题;不久,该实验室又打印出了世界上第一双4D打印鞋子,它可依照人脚的形状和大小动态调节,而且富有弹性的材料可让制鞋的成本缩减到最小。2015年6月,西北大学国际纳米技术研究所在纳米级4D打印机研制方面跨出了一大步,使打印出来的对象可根据纳米材料上的编码信息,进行转换或者变形并执行若干其它功能,从而促进了智能复合材料的开发和拓展了4D打印的应用。

       2015年10月,乔治亚技术学院和新加坡科技大学,联合开发出了一种对热量敏感的形状记忆高分子敏感4D打印材料,它与其他不同材料集合后打印出的物体,在温度发生变化时,能按照程序改变成另一种形状;例如,把一个打印出的细长片插入锁的钥匙孔中,它立即就能根据温度在孔中伸缩变形和硬化,预示着有可能变成一把真正的钥匙---如此以来,其外形就可能有着视使用环境不同而改变的特性,使这种材料有望在无人航空器和潜水器以及医疗器械、人体器官支架中使用。2015年11月,哈佛大学刘易斯研究团队,把从木浆中提取的纤维素纤维与丙烯酰胺水凝胶(遇水会膨胀扩大的一种胶状物)混合在一起,加入荧光染料后制成了一种新型4D打印材料,它比此前麻省理工学院由刚性和柔性材料组合的打印材料性能更好,有利于编程制作复杂物体,因为它包含许多微小纤维的胶状物质,硬度及水溶性都能根据不同排列方式发生变化,在“编码”后将打印出的物体变为更加复杂的形状---两朵形状一样的花,它们被浸没到水里之后,五个花瓣卷曲的方向不同,外形和色彩都与真正的兰花非常接近;该团队现正在探索4D打印在医学植入等方面的潜在应用,包括最终培育出新器官的组织和受损组织的替代品---它们先像一张平板纸一样被打印出来,然后自行变成人们需要的不同形状,并且这种打印材料还能进一步被改进,以便使它可应对不同的环境变化,让打印出的物体根据冷、热、电流或生物情况“随机应变”。2015年12月,美国科技巨头惠普公司宣布,在推动4D打印机研发的同时,它开发了拥有4D打印的一种微流控材料,这种材料具有特定的导电属性,可用于新型电子器件的4D打印制作。

      除美国外,其他国家在4D 打印领域的研发也在不断向前推进。2014年1月,新加坡技术与设计大学联合美国科罗拉多大学波德分校,将

     拥有形状记忆能力的聚合纤维混入传统3D打印所使用的复合材料中,制造出可以像“变形金刚”一样变换出各种形状的新型智能复合材料。

 

 
举报收藏 0打赏 0评论 0
点击排行